JP2012157219A - 受電ユニット、該受電ユニットを備えた充電システム及び電気機器 - Google Patents

Abstract

【課題】受電コイル及び電池を有する受電ユニットにおいて、給電コイルに対する該受電ユニットの姿勢に左右されることなく効率良く電池を充電可能な構成を得る。
【解決手段】受電ユニット（１０）は、給電コイル（２１）への通電により発生した磁束によって電流が流れる管状の受電コイル（１２）と、該受電コイル（１２）に流れる電流によって充電される電池（４）と、受電コイル（１２）及び電池（４）を収納可能に構成された筐体（１７）とを備えている。受電コイル（１２）は、筐体（１７）内に、一方向に延びて両端部が給電コイル（２１）で発生している磁束によって電流が流れる位置に位置付けられるように、配置されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、受電コイル及び電池を有する受電ユニット、該受電ユニットを備えた充電システム及び電気機器に関する。

従来より、給電コイルで発生した磁束に応じて電流が流れる受電コイルと、該電流を充電するための電池とを有する受電ユニットが知られている。このような受電ユニットでは、例えば特許文献１に開示されるように、給電側に対して非接触状態で受電し、電池に充電するように構成されている。具体的には、上述の受電ユニットでは、給電コイルで発生した磁束によって、受電側の受電コイルに電流を流す、いわゆる電磁誘導を利用して、該受電コイルに電気的に接続された電池を充電するように構成されている。

特開２００８−５６０７号公報

ところで、上述のように、電磁誘導を用いて受電ユニット内の電池を充電する場合、給電コイルで発生した磁力線が受電ユニット内の受電コイルを貫くように、該受電コイル及び給電コイルをできるだけ近くに配置するのが好ましい。

一般的な受電ユニットでは、筐体内に配置された受電コイルに対して磁気シールドを配置し、該磁気シールド上に電池や回路部品などを配置する。そのため、受電ユニットにおいて電池を充電する際には、受電コイルが給電コイルの近くに位置付けられるように、受電ユニットの姿勢に留意する必要があり、使用者にとっては電池の充電作業が面倒であった。

そのため、本発明では、受電コイル及び電池を有する受電ユニットにおいて、給電コイルに対する該受電ユニットの姿勢に左右されることなく電池を効率良く充電可能な構成を得ることを目的とする。

本発明の一実施形態にかかる受電ユニットは、給電コイルへの通電により発生した磁束によって電流が流れる管状の受電コイルと、該受電コイルに流れる電流によって充電される電池と、前記受電コイル及び電池を収納可能に構成された筐体とを備え、前記受電コイルは、前記筐体内に、一方向に延びて両端部が前記給電コイルで発生している磁束によって電流が流れる位置に位置付けられるように、配置されている（第１の構成）。

以上の構成により、受電コイルが、受電ユニットの筐体内に、一方向に延びて両端部が給電コイルで発生している磁束によって電流が流れる位置に位置付けられるため、受電コイルの両端部のどちらを給電コイルに近づけても、該受電コイルに電流を流すことができる。すなわち、上述の構成により、受電コイルの両端部のどちらか一方が給電コイルに近づくように受電ユニットを配置すればよいため、受電コイルの一方の端部側に磁気シールドや回路部品を設ける構成に比べて、給電コイルに対する受電ユニットの姿勢の自由度が大きくなる。したがって、従来の構成に比べて受電ユニットの姿勢や方向等にあまり注意を払うことなく、該受電ユニットの電池に対して給電コイルから容易に非接触充電を行うことができる。

前記第１の構成において、前記受電コイルの内方に配置される磁性体をさらに備えていて、前記磁性体には、電池を内部に収納するための収納空間が形成されているのが好ましい（第２の構成）。

このように受電コイルの内方に磁性体を配置することで、該磁性体によって受電コイルにより多くの磁力線を貫通させることができ、該受電コイルの性能を向上することができる。しかも、磁性体内に収納空間を形成することで、該磁性体に磁力線を集めつつ、該収納空間にはほとんど磁力線が存在しない状態を実現できるため、該収納空間内に配置される電池が磁束によって発熱等の影響を受けるのを防止できる。

したがって、上述の構成により、受電コイルの性能アップを図りつつ、該受電コイルの内方に電池を配置して受電ユニット全体のコンパクト化を図れる。

前記第２の構成において、前記磁性体は、管状に形成されていて、前記収納空間は、前記磁性体の内周面に囲まれた空間であるのが好ましい（第３の構成）。これにより、管状の磁性体の内方に電池を容易に配置できるため、コンパクトな構成の受電ユニットが容易に得られる。

前記第２の構成において、前記磁性体には、内部空間が形成されていて、前記収納空間は、前記磁性体の内部空間によって構成されるのが好ましい（第４の構成）。こうすることで、内部空間を囲む磁性体により多くの磁力線が集まるため、該内部空間内に存在する磁力線はより少なくなる。よって、この内部空間内に電池を配置すれば、磁束による影響をより小さくすることができる。したがって、上述の構成により、磁束によってほとんど影響を受けることなく、コンパクトな構成の受電ユニットを実現できる。

前記第１から第４の構成のうちいずれか一つの構成において、前記受電コイルは、ソレノイドコイルであるのが好ましい（第５の構成）。これにより、平面コイルに比べて受電コイルの性能向上を図れる。しかも、受電コイルの内方に柱状の空間が形成されるため、該空間内に磁性体や電池などを配置することが可能になる。よって、上述の構成により、受電コイルの性能向上及び受電ユニットのコンパクト化が可能になる。

本発明の一実施形態に係る充電システムでは、第１から第５の構成のうちいずれか一つの構成の受電ユニットと、前記給電コイルを有する給電ユニットとを備えている（第６の構成）。

本発明の一実施形態に係る電気機器では、第１から第５の構成のうちいずれか一つの構成の受電ユニットを備えている（第７の構成）。

本発明の一実施形態にかかる受電ユニットによれば、受電コイルを、両端部が給電コイルの磁束によって電流が流れるような位置に位置付けられるように、筐体内に配置したため、従来の構成に比べて受電ユニットの向きや姿勢をあまり気にすることなく、電池の充電を容易に行うことができる。これにより、電池を充電する際の利便性の向上を図れる。

図１は、実施形態１に係る充電システムの概略構成を示す図である。 図２は、充電システムの概略構成を示す回路図である。 図３は、実施形態２に係る充電システムの受電ユニットにおける受電コイルの概略構成を示す断面図である。 図４は、実施形態３に係る充電システムの受電ユニットにおける受電コイルの概略構成を示す断面図である。

以下、図面を参照し、本発明の実施の形態を詳しく説明する。各図中の同一または相当部分については同一の符号を付してその説明は繰り返さない。

［実施形態１］
図１は、本発明の実施形態１に係る充電システム１の概略構成を示す図である。この充電システム１は、充電器２（給電ユニット）と、機器３（電気機器）側に設けられた受電ユニット１０とを含む。充電システム１は、例えば、補聴器や自動車のキーレスエントリーシステム、ＰＤＡ（Ｐｅｒｓｏｎａｌ Ｄｉｇｉｔａｌ Ａｓｓｉｓｔａｎｔ）などの携帯端末、カメラ等の小型機器（機器３）の電源システムとして用いられる。

充電システム１は、充電器２と機器３側の受電ユニット１０との間で、非接触で電力の送受電を行うように構成されている。すなわち、充電器２は、ＡＣアダプタ５を介して図示しない電源に電気的に接続された給電コイル２１を有する。一方、受電ユニット１０は、電池４に電気的に接続される充電回路１１（図２参照）の一部を構成する受電コイル１２を有する。つまり、充電システム１は、電磁誘導を利用して、充電器２から受電ユニット１０に電力を供給するように構成されている。ここで、非接触で電力の送受電を行うとは、２つの装置（ユニット）間で端子を介すことなく、電力の授受を行うことを意味する。

図１に示すように、充電器２は、図示しない電源に電気的に接続された給電コイル２１と、該給電コイル２１に所定の磁場を発生させるために該給電コイル２１に流す電流を制御する充電制御回路２２とを備えている。この充電制御回路２２と給電コイル２１との間には、磁気シールド板２３が設けられている。これらの給電コイル２１、充電制御回路２２及び磁気シールド板２３は、充電器２の筐体２０内に収納されている。この筐体２０は、樹脂材料によって箱状に形成されている。

給電コイル２１は、例えば軸線方向に延びる円筒状に形成されたソレノイドコイルである。この給電コイル２１は、筐体２０内に、給電コイル２１の軸線方向が該筐体２０の厚み方向（図１の上下方向）に一致するように配置されている。

充電制御回路２２は、図２に示すように、高周波の電流を給電コイル２１に流すための駆動回路２４と、該駆動回路２４に高周波の電流を出力させるための発振信号を供給する発振回路２５とを備えている。この駆動回路２４は、発振回路２５からの出力信号に応じて給電コイル２１に所定の周波数の交流電流を流すように構成されている。これにより、給電コイル２１によって、図２に破線で示すように、導線の巻き方向に対して直交する方向に延びる磁力線が形成される。なお、図２に示す破線において、矢印の向きは磁力線の向きである。上述のように、給電コイル２１には高周波の交流電流が流れるため、該給電コイル２１によって発生する磁力線の向きは高周波の交流電流の流れに応じて変化（反転）する。

なお、駆動回路２４及び発振回路２５の構成は、非接触充電における従来の各回路の構成と同様なので、詳しい説明は省略する。

受電ユニット１０は、図１に示すように、上述の電池４及び受電コイル１２以外に、該電池４に充電を行う充電回路１１（図２参照）を構成する回路部品１５を備えている。図１に示すように、受電コイル１２と電池４及び回路部品１５との間には、充電器２と同様、磁気シールド板１６が配置されている。これにより、受電コイル１２で発生する磁束から電池４及び回路部品１５を保護することができる。これらの電池４、受電コイル１２、回路部品１５及び磁気シールド板１６は、機器３の筐体１７内に収納されている。なお、本実施形態では、この筐体１７が受電ユニットの筐体を構成する。

受電コイル１２は、給電コイル２１と同様、例えば軸線方向に延びる円筒状に形成されたソレノイドコイルである。

筐体１７は、上述の充電器２の筐体２０と同様、樹脂材料によって箱状に形成されている。また、筐体１７は、例えば扁平状に形成されていて、内部に受電コイル１２及び電池４が横方向に並んで配置されている。この受電コイル１２は、軸線方向が筐体１７の厚み方向に一致するように、該筐体１７内に配置されている。また、受電コイル１２は、軸線方向の両端部が筐体１７の内面近傍に位置するように形成されている。すなわち、受電コイル１２は、筐体１７の上面及び底面を厚み方向に貫通する磁力線に対して電流が流れるように、受電ユニット１０内に設けられている。

なお、この実施形態では、機器３の筐体１７内に、受電ユニット１０を収納しているが、この限りではなく、受電ユニット１０が別の筐体を有していて、該筐体内に受電ユニット１０の各構成部品が収納されていてもよい。この場合には、受電ユニット１０の筐体が、機器３の筐体１７内に収納される。また、受電ユニット１０は、機器３から取り外し可能に構成されていてもよい。

前記回路部品１５によって構成される充電回路１１は、図２に示すように、受電コイル１２と、該受電コイル１２に流れる電流を整流するための整流回路１３及び整流用コンデンサ１４とを有している。なお、特に図示しないが、充電回路１１には、整流回路１３及び整流用コンデンサ１４によって整流された電流が流れる電圧調整部や充電制御部が設けられていてもよい。例えば、この電圧調整部は、電池４に対する充電電圧を所定の電圧に調整するように構成されている。また、充電制御部は、電池４の充電状態に応じて充電時の電圧や電流を制御するように構成されている。

整流回路１３は、４つのダイオード１３ａによって構成されたブリッジ回路からなる、いわゆるブリッジ整流回路である。この整流回路１３は、受電コイル１２に流れる電流を整流可能なように、該受電コイル１２の両端に接続されている。具体的には、整流回路１３は、２つのダイオード１３ａが直列に接続されてなる２つの直列回路を、互いに該ダイオード１３ａの順方向が逆になるように、並列に接続することによって構成される。そして、２つの直列回路同士を並列に繋ぐ接続部分に、受電コイル１２の両端がそれぞれ接続されている。一方、各直列回路のダイオード１３ａ同士の間と、整流用コンデンサ１４の２枚の電極板とが、それぞれ、電気的に接続されている。また、整流回路１３に対して、整流用コンデンサ１４と並列に電池４が接続されている。

上述のように受電ユニット１０に前記電圧調整部及び充電制御部を設ける場合には、該電圧調整部及び充電制御部を前記整流用コンデンサ１４に対して並列に設ける。また、電池４は、電圧調整部及び充電制御部の出力側に、該電圧調整部及び充電制御部に対して並列に設ける。これにより、電圧調整部及び充電制御部によって電池４の充電時の電圧及び電流を制御することができる。

上述の構成により、受電ユニット１０では、後述するように給電コイル２１で発生する磁束によって受電コイル１２に電流が流れると、整流回路１３及び整流用コンデンサ１４で整流されて、電池４に供給される。これにより、電池４を充電することができる。

受電ユニット１０は、図１に示すように、受電コイル１２が充電器２の給電コイル２１の上方に位置するように、該充電器２上に配置される。すなわち、充電器２は、箱状の筐体２０の上面が、受電ユニット１０の載置面を構成している。充電器２の給電コイル２１は、この載置面の近傍に配置されている。

また、受電ユニット１０の受電コイル１２は、上述のとおり、軸線方向が筐体１７の厚み方向に一致するように、該筐体１７内に配置される。一方、充電器２の給電コイル２１も、上述のとおり、軸線方向が筐体２０の厚み方向に一致するように、該筐体２０内に配置される。これにより、受電ユニット１０を充電器２の筐体２０の載置面上に配置した状態で、受電コイル１２の軸線方向と給電コイル２１の軸線方向とを一致させることができる。よって、給電コイル２１で磁束が発生すると、磁力線が受電コイル１２を軸線方向に貫通し、そのときの磁束によって該受電コイル１２に電流が流れる。

すなわち、受電コイル１２は、筐体１７内に、一方向に延びて両端部が給電コイル２１で発生している磁束によって電流が流れる位置に位置付けられるように、配置されている。

（実施形態１の効果）
以上より、この実施形態によれば、受電ユニット１０において、受電コイル１２を筐体１７の厚み方向に延びるように配置することで、該受電コイル１２の両端部を、筐体１７の上面及び下面の近くに位置付けることができる。しかも、ソレノイドコイルからなる受電コイル１２の軸線方向と、充電器２のソレノイドコイルからなる給電コイル２１の軸線方向とが一致するため、給電コイル２１で発生した磁束によって受電コイル１２に効率良く電流を流すことができる。よって、筐体１７の上面及び下面のいずれを充電器２の載置面上に置いても、受電コイル１２に電流を発生させることができる。したがって、受電ユニット１０の電池４を充電する際に、該受電ユニットの姿勢にあまり留意する必要がなくなり、充電作業を容易に行うことができる。

［実施形態２］
図３に、本発明の実施形態２に係る充電システムの受電ユニットにおける受電コイル３１の概略構成を示す。この実施形態の構成は、受電コイル３１を構成するコイル部３２の内方に、中空円筒状の磁性体３３を配置するとともに、該磁性体３３の内部に電池４を配置した点で、上述の実施形態１とは構成が異なる。以下の説明では、実施形態１の構成と異なる点についてのみ説明し、実施形態１の構成と同一の部分には同一の符号を付して説明を省略する。

具体的には、図３に示すように、受電コイル３１は、ソレノイドコイルによって構成されるコイル部３２と、該コイル部３２内に配置される円筒状の磁性体３３とを備えている。この円筒状の磁性体３３の内部には、電池４が配置されている。すなわち、円筒状の磁性体３３の内部には、該磁性体３３の内周面によって、電池４を収納するための収納空間３４が形成されている。

電池４は、磁性体３３の内周面に対して直接、嵌合されていてもよいし、該電池４の周囲をテープによって覆った状態で磁性体３３の内周面に嵌合されていてもよい。また、磁性体３３の内部に電池４を配置した状態で、該磁性体３３の内部を絶縁性の接着剤等で埋めることにより、電池４を磁性体３３内に固定してもよい。

磁性体３３は、電池４のケースを構成するステンレスよりも比透磁率が大きい材料であれば、どのような材料であってもよい。磁性体３３は、好ましくは、例えばフェライト（比透磁率が約１０００）やパーマロイ（比透磁率が約１０００００）などのように比透磁率が大きい材料が好ましい。

なお、磁性体３３の内部には、電池４以外に、充電回路１１を構成する回路部品１５等を配置してもよい。

また、磁性体３３の内面をテーパ状に形成してもよい。すなわち、磁性体３３を、内部に電池４を挿入しやすいように磁性体３３の一方の端部の内径が他方の端部に比べて大きくなるようなテーパ状に形成してもよい。さらに、磁性体３３の内面を段状に形成したり、該内面に電池４の移動を止めるための突出部を形成したりしてもよい。

さらに、電池４や回路部品１５等を磁性体３３内に収納した状態で、受電コイル３１全体を、テープ部材やシール部材等によって覆ってもよい。この場合には、受電コイル３１を覆うテープ部材やシール部材等が、受電ユニットの筐体を構成する。

（実施形態２の効果）
以上より、本実施形態のように、受電コイル３１のコイル部３２内に磁性体３３を配置することで、該磁性体３３によって受電コイル３１の性能向上を図れる。

しかも、磁性体３３を円筒状に形成して、該磁性体３３の内方に電池４を配置することで、受電コイル３１とは別に電池４の配置スペースを確保する必要がなくなるため、受電ユニットのコンパクト化を図れる。そして、このような構成では、受電コイル３１を貫通する磁力線は、磁性体３３に集まるため、該磁性体３３の内部にはほとんど磁力線が存在しない。よって、磁性体３３内に配置される電池４に対して磁束の影響が及ぶのを防止できる。

したがって、本実施形態の構成により、電池４に磁束の影響が及ぶことなく、受電ユニットのコンパクト化を図れる。

［実施形態３］
図４に、本発明の実施形態３に係る充電システムの受電ユニットにおける受電コイル４１の概略構成を示す。この実施形態の構成は、コイル部３２の内方に位置する磁性体４２に内部空間４３を設けて、該内部空間４３内に電池４を配置した点で、上述の実施形態２とは構成が異なる。以下の説明では、実施形態２の構成と異なる点についてのみ説明し、実施形態２の構成と同一の部分には同一の符号を付して説明を省略する。

具体的には、ソレノイドコイルによって構成されるコイル部３２の内方に、内部空間４３が形成された円柱状の磁性体４２を配置する。この磁性体４２の内部空間４３は、周囲を壁によって囲まれた閉空間である。このような閉空間である内部空間４３を形成するために、円柱状の磁性体４２は、軸方向に複数（好ましくは２つ）に分割するように構成されていてもよいし、有底円筒状の部材に対して蓋部材を取り付けるように構成されていてもよい。

磁性体４２を構成する材料は、実施形態２と同様、電池４のケースを構成するステンレスよりも比透磁率が大きい材料であれば、どのような材料であってもよい。磁性体４２は、好ましくは、例えばフェライト（比透磁率が約１０００）やパーマロイ（比透磁率が約１０００００）などのように比透磁率が大きい材料が好ましい。

内部空間４３内には、電池４が配置される。この電池４は、実施形態２と同様、磁性体４２の内周面に対して直接、嵌合されていてもよいし、該電池４の周囲をテープによって覆った状態で磁性体４２の内部に嵌合されていてもよい。また、磁性体４２の内部に電池４を配置した状態で、該磁性体４２の内部を絶縁性の接着剤等で埋めることにより、電池４を磁性体４２内に固定してもよい。

なお、本実施形態でも、実施形態２と同様、磁性体４２の内部に、電池４以外に、充電回路１１を構成する回路部品１５等を配置してもよい。

さらに、本実施形態でも、電池４や回路部品１５等を磁性体４２内に収納した状態で、受電コイル４１全体を、テープ部材やシール部材等によって覆ってもよい。この場合には、受電コイル４１を覆うテープ部材やシール部材等が、受電ユニットの筐体を構成する。

（実施形態３の効果）
以上より、本実施形態のように、コイル部３２内に磁性体４２を配置することで、該磁性体４２によって受電コイル４１の性能向上を図れる。

しかも、磁性体４２に閉空間としての内部空間４３を形成して、該内部空間４３内に電池４を配置することで、受電コイル４１とは別に電池４の配置スペースを確保する必要がなくなるため、受電ユニットのコンパクト化を図れる。そして、このような構成では、受電コイル４１を貫通する磁力線は、磁性体４２に集まるため、実施形態２の構成に比べて、周囲を磁性材料によって囲まれた内部空間４３内に存在する磁力線はさらに少なくなる。よって、磁性体４２の内部空間４３内に配置される電池４に磁束の影響が及ぶのをより確実に防止できる。

したがって、本実施形態の構成により、電池４に磁束の影響が及ぶことなく、受電ユニットのコンパクト化を図れる。

（その他の実施形態）
以上、本発明の実施の形態を説明したが、上述した実施の形態は本発明を実施するための例示に過ぎない。よって、上述した実施の形態に限定されることなく、その趣旨を逸脱しない範囲内で上述した実施の形態を適宜変形して実施することが可能である。

前記各実施形態では、受電コイル１２、給電コイル２１、受電コイル３１，４１を構成するコイル部３２，４２を、それぞれ、円筒状に形成している。しかしながら、受電コイル１２、給電コイル２１、受電コイル３１，４１を構成するコイル部３２，４２は角筒状など他の筒状（管状）であってもよい。また、受電コイル３１，４１内の磁性体３３，４２も、コイル部３２，４２内に配置可能な形状であれば、どのような形状であってもよい。さらに、コイルは、ソレノイドコイルに限らず、他の形式のコイルであってもよい。

前記各実施形態では、受電コイル１２を、軸線方向が筐体１７の厚み方向になるように該筐体１７内に配置している。しかしながら、受電コイルを、軸線方向が筐体１７の横方向になるように該筐体１７内に配置してもよい。この場合には、充電器２の給電コイル２１も、軸線方向が筐体２０の横方向になるように該筐体２０内に配置すればよい。

本発明による受電ユニットは、給電コイルで発生した磁束によって電流が流れる受電コイルと該受電コイルに流れた電流を充電するための電池とを有する構成に利用可能である。

１：充電システム、２：充電器（給電ユニット）、３：機器(電気機器）、４：電池、１０：受電ユニット、１１：充電回路、１２，３１，４１：受電コイル、１５：回路部品、１７，２０：筐体、２１：給電コイル、３２：コイル部、３３，４２：磁性体、３４：収納空間、４３：内部空間

Claims (7)

1. 給電コイルへの通電により発生した磁束によって電流が流れる管状の受電コイルと、
   前記受電コイルに流れる電流によって充電される電池と、
   前記受電コイル及び電池を収納可能に構成された筐体とを備え、
   前記受電コイルは、前記筐体内に、一方向に延びて両端部が前記給電コイルで発生している磁束によって電流が流れる位置に位置付けられるように、配置されている、受電ユニット。
2. 請求項１に記載の受電ユニットにおいて、
   前記受電コイルの内方に配置される磁性体をさらに備えていて、
   前記磁性体には、電池を内部に収納するための収納空間が形成されている、受電ユニット。
3. 請求項２に記載の受電ユニットにおいて、
   前記磁性体は、管状に形成されていて、
   前記収納空間は、前記磁性体の内周面に囲まれた空間である、受電ユニット。
4. 請求項２に記載の受電ユニットにおいて、
   前記磁性体には、内部空間が形成されていて、
   前記収納空間は、前記磁性体の内部空間によって構成される、受電ユニット。
5. 請求項１から４のいずれか一つに記載の受電ユニットにおいて、
   前記受電コイルは、ソレノイドコイルである、受電ユニット。
6. 請求項１から５のいずれか一つに記載の受電ユニットと、
   前記給電コイルを有する給電ユニットとを備えた、充電システム。
7. 請求項１から５のいずれか一つに記載の受電ユニットを備えた電気機器。

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